Mikrobikasvu

Mikrobikasvu

Kuten tämän luvun sinivihreillä tasoilla käsiteltiin, mikrobisolut käyttävät ravinteita kasvuun, energiantuotantoon ja tuotteiden muodostumiseen seuraavan lausekkeen mukaisesti;

Ravinteet + mikrobisolut > solukasvu + energia + reaktiotuotteet

Tarkastellaan kuvassa 1 esitetyn ”Erä”-järjestelmän toimintaa. Tämä säiliö sisältää aluksi tunnetun kasvusubstraattipitoisuuden S. Säiliö on hyvin sekoitettu, joten liuenneen hapen pitoisuus O2 ei tule mikrobikasvua rajoittavaksi tekijäksi. Aluksi säiliöön lisätään tunnettu pitoisuus X elinkelpoisia mikrobisoluja (eli inokulaatiota), ja ajan myötä kasvualusta S käytetään solujen kasvuun. Näin ollen ajan mittaan havaitaan S:n väheneminen (negatiivinen dS/dt) ja vastaava X:n kasvu (positiivinen dX/dt).

Luvat

A. Cunningham, Center for Biofilm Engineering, Montana State Univeristy, Bozeman, MT

Kuva 1. Mikrobien kasvu ja substraatin käyttö hyvin sekoitetussa panosastiassa. Mikrobien kasvu ja substraatin käyttö hyvin sekoitetussa panossäiliössä.

Käsitteellistä kuvaajaa mikrobien solupitoisuuden ja ajan välisestä riippuvuudesta panosjärjestelmässä kutsutaan kasvukäyräksi, kuten kuvassa 2 on esitetty.

Luvat

A. Cunningham, Center for Biofilm Engineering, Montana State Univeristy, Bozeman, MT

Kuva 2. Kasvukäyrä. Tyypillinen kasvukäyrä panosjärjestelmälle.

Piirtämällä elinkelpoisten solujen konsentraation logaritmi, X, ajan funktiona voidaan tunnistaa kasvukäyrän viisi eri vaihetta; 1) viivästymisvaihe, joka alkaa välittömästi inokulaation jälkeen ja jatkuu, kunnes solut ovat sopeutuneet uuteen ympäristöönsä, 2) eksponentiaalinen kasvuvaihe, jonka aikana solujen kasvu etenee eksponentiaalista vauhtia (merkitty suoralla viivalla puoliloggikaaviossa), 3) hidastumisvaihe, jolloin välttämättömät ravintoaineet loppuvat tai myrkylliset tuotteet alkavat kerääntyä, 4) stationaarivaihe, jonka aikana solujen nettokasvu on suunnilleen nolla, ja 5) kuolemisvaihe, jolloin osa soluista menettää elinkelpoisuuttaan tai tuhoutuu lyysauksen seurauksena.

Mikrobikasvun kinetiikka

Viivytysvaiheen aikana dX/dt ja dS/dt ovat olennaisesti nolla. Eksponentiaalisen kasvuvaiheen alkaessa on kuitenkin mahdollista mitata dX/dt- ja dS/dt-arvoja, jotka ovat erittäin käyttökelpoisia tärkeiden mikrobikineettisten parametrien määrittelyssä. Käyttämällä vastaavia havaintoja dS/dt:stä ja dX/dt:stä, jotka on saatu heti eksponentiaalisen kasvuvaiheen alkamisen jälkeen kuvassa 2, voidaan laskea saantokerroin YXS ja ominaiskasvunopeus µ seuraavasti:

Tuottokerroin

Spesifinen kasvunopeus

Tuottokerroin, jota kutsutaan yleisesti substraatin ja biomassan väliseksi saannoksi, käytetään muuntamaan solun kasvunopeus dX/dt ja substraatin hyödyntämisnopeus dS/dt. Saantokerrointa ja spesifistä kasvunopeutta käytetään kehittämään kolmenlaisia mikrobikasvun kineettisiä suhteita; Monodin , ensimmäisen kertaluvun ja nollakertaluvun kinetiikkaa.

Monodin kinetiikka

Kuvassa 1 esitettyä panoskokeilua voidaan toistaa varioimalla alkuperäistä substraattikonsentraatiota S laajalla arvojen vaihteluvälialueella – tuloksena on yksittäisten µ-arvojen havainnoiminen, jotka vastaavat kutakin substraattikonsentraatiota. Aritmeettinen kuvaaja µ:n ja S:n välisestä riippuvuudesta osoittaa kuvassa 3 esitettyä yleistä käyttäytymistä.

Luvat

A. Cunningham, Center for Biofilm Engineering, Montana State Univeristy, Bozeman, MT

Figure 3. Ominaiskasvunopeuden kuvaaja alkuperäisen substraattipitoisuuden suhteen panosjärjestelmässä.

Yleisimmin käytetty lauseke, joka kuvaa spesifistä kasvunopeutta substraattikonsentraation funktiona, on peräisin Monodilta (1942, 1949). Tämä lauseke on:

Kuva 4. Näyttää käsitteellisesti, miten Monodin yhtälö sovitetaan kuvan 3 havaittuihin substraatti- ja ominaiskasvunopeustietoihin. Kuvasta 4 nähdään, että µmax on suurin havaittu spesifinen kasvunopeus ja KS on substraattikonsentraatio, joka vastaa 1/2 µmax:ia.

Luvat

A. Cunningham, Center for Biofilm Engineering, Montana State Univeristy, Bozeman, MT

Figure 4. Monodin yhtälön sovitus havaittuihin tietoihin.

Monodin kinetiikka

Yhtälöt 2 ja 3 yhdistämällä voidaan kirjoittaa seuraava lauseke biomassan muutosnopeudelle:

Vastaavasti yhdistämällä yhtälöt 1 ja 3 voimme kirjoittaa lausekkeen substraatin käyttöasteelle.

Ensimmäisen kertaluvun kinetiikka

Yhtälö 5 kuvaa Monodin kineettistä suhdetta substraatin hyödyntämiselle. Kuvasta 4 nähdään, että jos S << KS , yhtälö 5 voidaan approksimoida seuraavasti:

Yhtälö 6 kuvaa ehtoa, jossa substraatin hyväksikäyttö on verrannollinen substraattikonsentraatioon (eli ensimmäisen kertaluvun suhde S:n suhteen).

Nollan kertaluvun kinetiikka

Jos S >> KS Yhtälö 5 voidaan approksimoida seuraavasti:

Yhtälö 7 kuvaa olosuhdetta, jossa substraatin hyväksikäyttönopeus on vakio (eli nollan kertaluvun mukainen S:n suhteen).